Le coin des consommables : résoudre les problèmes de fissures de soudure avec le chrome 4150

Q : Nous fabriquons actuellement un produit composé d'un tuyau en acier 4150 de 30 po de diamètre et de 2 po d'épaisseur, soudé à une plaque d'acier 1018 de 3 po d'épaisseur. Le tuyau a un 3/8-in. biseau et nous le joignons à l'aide d'une soudure triple passe. Récemment, nous sommes passés d'un métal d'apport ER80 contenant 1 % de nickel à un métal d'apport ER70S-6. Nous constatons actuellement des fissures de soudure qui s'étendent à côté des orteils de la soudure du côté 4150, et parfois dans le métal fondu. Nous utilisons un préchauffage de 400 degrés F. Avez-vous des suggestions sur la façon dont nous pouvons éliminer la fissuration ?

R : Ce problème n'est pas du tout rare lors du soudage sur des aciers au chrome-molybdène (CrMo) ou à haute résistance faiblement alliés. Vous devez d'abord comprendre les propriétés des matériaux.

L'acier AISI/SAE 1018 s'intègre dans la nuance à faible teneur en carbone (0,05 à 0,3 % de carbone) et a une plage de carbone de 0,14 à 0,2 %. Il a une limite d'élasticité minimale (YS) de 53 700 PSI et une résistance à la traction ultime (UTS) de 63 800 PSI. Étant donné que la teneur en carbone est relativement faible et qu'il n'y a pas d'autres éléments d'alliage significatifs qui pourraient augmenter considérablement l'équivalence carbone, il n'y a pas grand-chose d'autre à considérer lors du soudage. Cependant, en raison de l'épaisseur de votre application, nous recommandons un préchauffage de la soudure.

L'AISI/SAE 4150 est considéré comme un acier allié CrMo de la série 41XX. Diverses nuances ont des compositions d'alliage légèrement différentes et sont identifiées par les deux derniers chiffres de l'indicatif SAE, qui représente la teneur en carbone. Il est également considéré comme une nuance d'acier à teneur moyenne en carbone (0,3 à 0,8% de carbone) avec 0,48 à 0,53% de carbone, d'où le "50" dans le nom. Les propriétés mécaniques sont supérieures par rapport à l'acier 1018. L'acier 4150 a un YS minimum de 55 100 PSI et un UTS de 106 000 PSI à l'état recuit. En raison de la teneur élevée en carbone avec l'ajout d'alliages et d'une équivalence carbone calculée d'environ 0,88, un préchauffage avant tout soudage est nécessaire ainsi que des considérations après le soudage.

En ce qui concerne votre application, trois choses la rendent plus difficile. Premièrement, l'épaisseur considérable du matériau équivaut à des vitesses de refroidissement rapides. Deuxièmement, un acier allié à haute résistance a généralement une microstructure qui est sensible à la formation de martensite et à la fissuration potentiellement induite par l'hydrogène. Troisièmement, une structure de soudure tuyau-plaque est considérée comme une configuration de joint de soudure à forte retenue.

Vous avez déclaré que vous utilisiez auparavant un produit ER80 contenant 1 % de nickel et que vous n'aviez jamais subi de fissuration. En fonction des paramètres de soudure, de l'apport de chaleur et de la taille de la soudure, la teneur en nickel peut être responsable de la résistance à la fissuration post-soudure. Le passage à l'électrode ER70S-6 n'aurait pas dû causer de problèmes puisque la plaque 1018 est le matériau déterminant pour les considérations d'appariement du métal d'apport. N'oubliez pas que la règle générale est de faire correspondre le matériau à faible résistance.

Il manque quelques variables qui pourraient nous aider à analyser le problème, telles que l'état de votre matériau de base (c'est-à-dire recuit ou normalisé), le type de gaz de protection, le type ou le procédé d'électrode de soudage, la taille du cordon de soudure, la technique et tous les paramètres de soudure associés. De plus, quelle procédure de post-soudure avez-vous suivie ?

Avec l'équivalence carbone élevée du matériau 4150 et l'épaisseur de 2 po, nous vous recommandons d'appliquer un préchauffage minimum de 600 degrés F avant toute activité de soudage, y compris le soudage par points. Souvent, les gens sautent le préchauffage avant le soudage par points et l'ajustement. Le soudage par points est toujours considéré comme un soudage, et avec la température extrême de l'arc de soudage et le matériau de base froid, la soudure par points refroidit incroyablement rapidement avec la zone affectée par la chaleur (HAZ), entraînant de petites fissures dans le matériau sensible. Une fois qu'une fissure s'est formée, rien ne l'empêche de se propager et de provoquer une défaillance.

Avant l'aménagement, appliquez un préchauffage de trempage uniforme et complet. Pointez les composants en place tout en maintenant le préchauffage minimum. Soudez complètement le joint avant que le refroidissement ne soit autorisé, en utilisant des cordons de soudure équivalents à ¼ à 5/16 po. filet. Assurez-vous que les soudures sont continues autour du tuyau si possible, ou soudez des sections opposées pour équilibrer les contraintes de retrait de la soudure.

Par exemple, si vous soudez une section de la position 12 heures à la position 3 heures, vous devez souder la section suivante de la position 6 heures à la position 9 heures, et ainsi de suite. Après la soudure complète, maintenez la température de préchauffage minimale pendant une heure par pouce d'épaisseur (deux heures dans votre cas) pour permettre à tout hydrogène potentiel de se diffuser hors du matériau. Ensuite, retirez la source de préchauffage et couvrez soigneusement la soudure avec des matériaux isolants appropriés, tels que plusieurs couches de couvertures anti-feu ou d'isolant en céramique.